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デイヴィソン・ガーマー実験は、 1923年から1927年にかけて、ウェスタン・エレクトリック社（後のベル研究所）のクリントン・デイヴィソンとレスター・ガーマーによって行われた。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]ニッケル金属結晶の表面で散乱された電子は、回折パターンを示した。これは、1924年にルイ・ド・ブロイが提唱した波動粒子二重性の仮説、およびシュレーディンガー方程式の波動力学的アプローチを裏付けるものであった。これは量子力学の発展における実験的なマイルストーンとなった。[ 4 ]： 122-5
19世紀後半のマクスウェル方程式によれば、光は電磁場の波から成り、物質は局在化した粒子から成り立っていると考えられていました。しかし、アルバート・アインシュタインは1905年に光電効果に関する論文を発表し、光を離散的で局在化したエネルギー量子（現在では光子と呼ばれる）として記述しました。この論文により、アインシュタインは1921年にノーベル物理学賞を受賞しました。1924年、ルイ・ド・ブロイは波動粒子二重性理論に関する論文を発表し、すべての物質が光子の波動粒子二重性を示すという考えを提唱しました。[ 5 ]ド・ブロイによれば、すべての物質と放射線において、エネルギーは粒子の周波数はプランクの関係式による関連波、、 どこはプランク定数であり、粒子の運動量は波長とは現在ド・ブロイの式として知られているものによって関連付けられている。。
1920年代にゲッティンゲンでウォルター・M・エルサッサー がダビソン・ゲルマー実験に重要な貢献をした。彼は、X線の波動性がバルクラの結晶固体に対するX線散乱実験によって確認されたのと同様に、物質の波動性は結晶固体に対する電子散乱実験によって調査できる可能性があると述べた。 [ 5 ] [ 6 ]
エルサッサーのこの提案は、彼の先輩（後にノーベル賞を受賞）マックス・ボルンによってイギリスの物理学者たちに伝えられた。デイヴィソンとゲルマーの実験が行われた際、実験結果はエルサッサーの提案によって説明された。しかし、デイヴィソンとゲルマーの実験の本来の目的は、ド・ブロイの仮説を検証することではなく、ニッケルの表面を研究することであった。
1927年、ベル研究所でクリントン・デイヴィソンとレスター・ガーマーは、結晶ニッケルの標的に低速の電子を照射した。反射電子強度の角度依存性が測定され[ 1 ] [ 2 ]、ブラッグがX線について予測した回折パターンと同様のパターンであることが判明した。いくつかの小さな、しかし重要な違い[ 3 ]は、ハンス・ベーテがより完全な解析で示した平均電位によるものであった[ 7 ] 。同時期に、ジョージ・パジェット・トムソンと彼の学生アレクサンダー・リードは、セルロイドフィルムに電子を照射して回折パターンを生成することで同じ効果を独立して実証し、デイヴィソンとトムソンは1937年にノーベル物理学賞を共同受賞した[ 5 ] [ 8 ]。ガーマーが賞の共同受賞から除外されたことは、それ以来物理学者を困惑させている[ 9 ] 。いずれにせよ、1928年以降、ド・ブロイの仮説を支持する証拠は圧倒的なものとなった。[ 10 ] [ 4 ] : 125
結局、デイヴィソンとゲルマーは、細部への注意、実験スキル、そして多少の幸運が相まって成功を収めた。ウェスタン・エレクトリック社は彼らに職場で基礎研究を行う許可を与えていたのだ。[ 11 ]
デイヴィソンは1921年に電子衝撃と二次電子放出の研究を開始した。一連の実験は1925年まで続けられた。
1923年以前、デイヴィソンはチャールズ・H・クンスマンと共にタングステンへの電子衝撃の影響を検出する研究を行っていたが、その際に、電子の1%が弾性散乱で電子銃にまっすぐ跳ね返ることに気づいた。この小さくも予想外の結果から、デイヴィソンはラザフォードのアルファ粒子散乱が原子核を調べたのと同様の方法で原子の電子配置を調べることができるという理論を立てた。彼らは高真空に切り替え、ニッケルと他の様々な金属を使用したが、期待通りの結果は得られなかった。[ 12 ]
1924年10月にゲルマーが実験に参加した当時、デイヴィソンの実際の目的は、ニッケル片の表面に電子ビームを照射し、さまざまな角度で反射する電子の数を観察することによって、ニッケル片の表面を研究することであった。電子のサイズが小さいため、最も滑らかな結晶表面でさえ粗すぎて、電子ビームが拡散反射を起こすと予想された。[ 13 ]
この実験では、電子ビーム（静電粒子加速器である電子銃から）をニッケル結晶に垂直に照射し、検出器とニッケル表面との角度の変化に伴って反射電子の数がどのように変化するかを測定しました。電子銃は加熱されたタングステンフィラメントで、熱励起された電子を放出し、電位差によって加速されて一定量の運動エネルギーを与えられ、ニッケル結晶に向かって進みます。電子が表面に向かう途中で他の原子と衝突するのを避けるため、実験は真空チャンバー内で行われました。異なる角度で散乱された電子の数を測定するために、結晶の周囲を円弧状に移動できるファラデーカップ電子検出器が使用されました。この検出器は、弾性散乱された電子のみを検出するように設計されていました。
実験中、誤って空気がチャンバー内に入り込み、ニッケル表面に酸化膜が形成された。酸化物を除去するために、デイヴィソンとゲルマーは試料を高温オーブンで加熱したが、これによりニッケルの多結晶構造が電子ビームの幅全体にわたって結晶面が連続する大きな単結晶領域を形成することになるとは知らなかった。[ 13 ]
実験を再開し、電子が結晶面に当たると、結晶面（原子が規則的に配置されている面）にあるニッケル原子によって散乱された。1925年当時、この散乱によって加熱により10面の結晶面が形成され、予期せぬ、相関性のないピークを持つ回折パターンが生じた。そこで、実験対象を単結晶に変更し、実験をやり直した。
2度目の新婚旅行で、デイヴィソンは1926年の夏にオックスフォードで開催された英国科学振興協会の会合に出席した。この会合で、彼は量子力学の最近の進歩について知った。デイヴィソンが驚いたことに、マックス・ボルンは、デイヴィソンがクンスマンと共同で行った1923年の白金の研究から得られた無相関回折曲線[ 14 ]を用いて講演を行い、そのデータをデイヴィソンが知らなかったド・ブロイ仮説の確認として用いた[ 11 ] 。
その後、デイヴィソンは、過去にウォルター・エルサッサー、E・G・ダイモンド、ブラケット、ジェームズ・チャドウィック、チャールズ・エリスといった他の科学者たちが同様の回折実験を試みたものの、十分な真空度を生成したり、必要な低強度のビームを検出したりすることができなかったことを知った。[ 11 ]
米国に戻ったデイヴィソンは、チューブの設計と検出器の取り付け方法を変更し、余緯度に加えて方位角を追加した。その後の実験で、強い信号ピークが生成された。そして角度ゲルマーと共に、彼は「ニッケル単結晶による電子の散乱」と題する論文をネイチャー誌に発表した（1927年）。 [ 1 ]
疑問点はまだ残っており、実験は1927年まで続けられた。なぜなら、ダヴィソンはド・ブロイの公式に精通しており、電子の波長の変化によって何らかの影響が見られるかどうかを確認するための実験を設計していたからである。ド・ブロイの関係によれば、彼らは、ピークがそしてそうではない彼らの論文が示したように。ド・ブロイの公式との相関関係が見られなかったため、彼らの論文では、アドホックな収縮係数を導入した。しかし、これは13本のビームのうち8本しか説明できなかった。[ 11 ] [ 15 ]
電子銃に印加する電圧を変化させることで、原子表面で回折される電子の最大強度が異なる角度で観測された。最も高い強度は、ある角度で観測された。電圧は電子に運動エネルギーを与える[ 5 ]
マックス・フォン・ラウエが1912年に証明したように、周期的な結晶構造は一種の三次元回折格子として機能する。最大反射角は、配列からの建設的干渉のブラッグの条件、すなわちブラッグの法則によって与えられる。のために、、ニッケルの結晶面の間隔については（）結晶ニッケルに対する以前のX線散乱実験から得られた。[ 5 ]
ド・ブロイの関係式によれば、運動エネルギーが波長は実験結果はブラッグの法則により、予測とほぼ一致した。デイヴィソンとゲルマーは、ノーベル賞受賞論文の1928年の続編論文で、「これらの結果、データがブラッグの式を満たさないことを含め、電子回折に関する我々の実験で以前に得られた結果と一致している。反射データがブラッグの関係を満たさないのは、電子回折ビームがラウエビームの類似物と一致しないのと同じ理由である」と述べている。[ 3 ]しかし、彼らはさらに、「計算された波長は理論値と非常によく一致している」と付け加えている。添付の表に示すように。」[ 3 ]電子エネルギー回折はブラッグの法則には従わないものの、粒子が波のように振る舞うというド・ブロイの理論を裏付けた。完全な説明は、電子回折の場合のシュレーディンガー方程式を解いたハンス・ベーテによって提供された。[ 7 ]
デイヴィソンとゲルマーが用いた具体的な手法は、低エネルギー電子を使用するもので、現在では低エネルギー電子回折（LEED）と呼ばれている。超高真空技術を利用した実験手法（例えば、1953年にアルパートが記述した手法[ 16 ] ）の開発によって、結晶元素の表面や原子間の間隔を調べるためにLEED回折を広く利用できるようになるのは 、ずっと後のことだった[ 17 ] 。より高エネルギー電子をさまざまな方法で回折に用いる手法は、それよりもずっと前に開発されていた。
